آماده‌سازی نمونه با استخراج مایکروویوی

استخراج به کمک مایکروویو یا Microwave-Assisted Extraction (MAE)  یکی از روش‌های نوین آماده‌سازی نمونه است که برای جداسازی ترکیبات هدف از نمونه‌های جامد به کار می‌رود. در این روش، با انتخاب حلال مناسب و استفاده از گرمایش کنترل‌ شده، ترکیبات مورد نظر از نمونه جدا شده و پس از مرحله جداسازی فاز، آماده تحلیل می‌شوند. استفاده از دستگاه هضم مایکروویو در این مورد به دلیل سرعت بالا، مصرف کمتر حلال و راندمان مناسب، به یکی از روش‌های مهم و پرکاربرد در آزمایشگاه‌های مدرن تبدیل شده است و در حوزه‌هایی مانند داروسازی، صنایع غذایی، محیط ‌زیست، پلیمرها و مواد طبیعی کاربرد گسترده‌ای دارد.

استخراج به کمک مایکروویو چه کاربردهایی دارد؟

استخراج حلالی از نمونه‌های جامد یک روش غیر مخرب برای آماده‌ سازی نمونه است که بر تفاوت در حلالیت اجزای مختلف تکیه دارد. در این فرآیند، با انتخاب حلال مناسب و اعمال گرما، آنالیت‌ های مورد نظر از نمونه خارج شده و وارد فاز حلال می‌شوند. سپس می‌توان آن‌ها را مستقیما برای آزمون ‌های تحلیلی مورد استفاده قرار داد. هدف از این نوع استخراج می‌تواند بسیار متنوع باشد؛ از جداسازی آلاینده ‌ها برای کنترل کیفیت و خالص‌ سازی گرفته تا استخراج ترکیبات ارزشمند از گیاهان و بافت ‌های جانوری یا حتی تعیین مقدار چربی در مواد غذایی و خوراک دام از کاربردهای این روش هستند. بسته به نوع نمونه، ترکیبات هدف نیز می‌توانند از مواد زیست‌ فعال، رنگ‌ها و اسانس‌ها تا افزودنی‌هایی مانند نرم‌کننده‌ها و بازدارنده ‌های شعله، یا آلاینده‌های پایدار مانند PAHs (هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای)  متغیر باشند.

اصول اولیه extraction

چرا روش‌های کلاسیک دیگر پاسخگو نیستند؟

در روش‌های سنتی استخراج جامد-مایع مانند Soxhlet، معمولا با زمان‌های طولانی، مصرف بالای حلال و محدودیت در اتوماسیون مواجه هستیم. در بسیاری از موارد، این فرآیندها ساعت‌ها و حتی روزها زمان می ‌برند و همین موضوع باعث افزایش هزینه و کاهش بهره‌وری می‌شود. به همین دلیل، روش‌های مدرن‌تری مانند استخراج با حلال شتاب یافته (ASE) و استخراج به کمک مایکروویو (MAE) توسعه پیدا کرده‌اند. MAE در میان این روش‌ها به دلیل سرعت بالا، کاهش مصرف مواد شیمیایی و امکان اجرا در آزمایشگاه‌های امروزی، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است.

مراحل استخراج سوکسله

MAE چگونه عمل می‌کند؟

در این روش، انرژی مایکروویو همراه با هم ‌زدن ، موجب گرم شدن سریع حلال و نمونه می‌شود و همین موضوع انتقال ترکیبات مورد نظر از نمونه جامد به فاز مایع را تسریع می‌کند. این روش معمولا زمان استخراج را به حدود 15 تا 30 دقیقه کاهش می‌دهد و در مقایسه با روش‌های سنتی، مصرف حلال را به‌طور چشمگیری کم می‌کند. کاهش مصرف حلال، علاوه بر مزیت زیست ‌محیطی، به کاهش هزینه‌های عملیاتی نیز منجر می‌شود. از سوی دیگر، MAE اغلب باعث افزایش بازده استخراج و انتخاب‌پذیری می‌شود و در عین حال می‌تواند از ترکیبات حساس نیز بهتر محافظت کند. به همین دلیل، این روش برای کاربردهایی که دقت، سرعت و حفظ کیفیت آنالیت اهمیت دارد، انتخابی بسیار مناسب است.

استانداردها و پروتکل‌های صنعتی در استخراج با مایکروویو

برای اینکه استخراج به کمک مایکروویو در صنایع مختلف به‌صورت ایمن، یکنواخت و قابل تکرار انجام شود، چندین استاندارد و پروتکل صنعتی تدوین شده‌اند. این استانداردها در حوزه‌هایی مانند محیط‌زیست، داروسازی و صنایع غذایی نقش مهمی دارند و به آزمایشگاه‌ها کمک می‌کنند تا نمونه‌ سازی را مطابق با روش‌های معتبر انجام دهند. از جمله استانداردهای رایج می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• EPA 3546: استخراج آلاینده‌های آلی از خاک، لجن و رسوبات
• ASTM D5765-05: استخراج ترکیبات آلی از خاک و لجن
• ASTM D6010-96: استخراج ترکیبات آلی از ماتریس‌های جامد
• ASTM D7210-13: استخراج افزودنی‌ها از پلاستیک‌های پلی‌الفینی
• EU 2015/1933: استخراج هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای از مواد غذایی
• CPSC-CH_C1001-09-3:  استخراج فتالات‌ها

در این استانداردها، پارامترهایی مانند نوع و حجم حلال، دما و زمان استخراج مشخص شده‌اند. در اغلب موارد، از ترکیب‌های حلالی با یک جزء قطبی برای بهبود جذب انرژی مایکروویو استفاده می‌شود. دمای استخراج معمولا در بازه‌ای حدود 80 تا 150 درجه سانتی‌گراد قرار دارد و زمان فرآیند نیز اغلب بین 5 تا 30 دقیقه تنظیم می‌شود. برای نمونه، EPA 3546  استفاده از 20 میلی‌لیتر هگزان/استون با نسبت 1:1 در ظرف 100 میلی‌لیتری و گرمایش تا 110 درجه سانتی‌گراد را مشخص می‌کند. همین مقدار حلال را می‌توان در ظروف 30، 50 یا 100 میلی‌لیتری گرم کرد، بدون اینکه نتیجه آنالیز تحت تاثیر قرار گیرد.

نکته مهم این است که بسیاری از این استانداردها در دوره‌ای تدوین شده‌اند که تنها دستگاه‌های چند حالته در دسترس بودند، اما امروزه به‌راحتی می‌توان آن‌ها را با راکتورهای تک حالته نیز تطبیق داد، بدون آن‌که نتایج تحلیلی تحت تاثیر قرار بگیرند.

تجهیزات مورد استفاده در استخراج به کمک مایکروویو

در ابتدا، استخراج به کمک مایکروویو عمدتا با استفاده از آون‌های مایکروویو چند حالته انجام می‌شد. با افزایش نیاز به کاهش مصرف حلال و امکان کار با مقادیر کمتر نمونه، راکتورهای تک‌ حالته نیز وارد این حوزه شدند. این تجهیزات علاوه بر مزایای گرمایش مایکروویوی، امکان افزایش بهره‌وری استخراج را فراهم می‌کنند.

راکتورهای چندحالته برای استخراج هم‌ زمان نمونه‌های مختلف در یک آزمایش مایکروویوی مناسب هستند. در مقابل، راکتورهای تک‌حالته برای پردازش متوالی نمونه‌های منفرد طراحی شده‌اند و در صورت استفاده از نمونه گیر اتوماتیک، نمونه‌ها می‌توانند بدون نیاز به حضور اپراتور، یکی پس از دیگری پردازش شوند؛ حتی امکان ادامه فرایند در طول شب نیز وجود دارد. اکنون ویژگی‌های هر دو دستگاه را بررسی می کنیم.

Multiwave 5001 مجهز به روتور 20SVT50

• راکتورهای Multimode

دستگاه‌های Multimode، از فناوری‌های مورد استفاده در هضم اسیدی برای آماده‌سازی نمونه منشا گرفته‌اند و از همان انواع روتور برای انجام استخراج‌های مایکروویوی به‌صورت موازی استفاده می‌کنند. از آنجا که شرایط واکنش در استخراج با حلال نسبتا ملایم است، به تنوع کمتری از روتورها و ظروف نیاز خواهد بود. دمای واکنش در هر ظرف با استفاده از روش مادون قرمز (IR) اندازه‌گیری می‌شود و در برخی تنظیمات، امکان اندازه‌گیری دمای داخلی یک ظرف مرجع نیز وجود دارد. بسیاری از استانداردها و روش‌های متداول آزمایشگاهی نیز بر اساس تجهیزات چندحالته توسعه یافته‌اند و از نظر مقدار نمونه، حجم حلال و اندازه ظروف با این تجهیزات مطابقت دارند.

یکی از مزیت‌های اصلی این روش ، ظرفیت بالای پردازش نمونه است. در این روش معمولا می‌توان تا 3  گرم نمونه در هر ظرف استفاده کرد. زمان معمول هر چرخه کمتر از یک ساعت است و امکان پردازش ده‌ها نمونه در روز را فراهم می‌کند. استفاده از مقدار بیشتر نمونه همچنین می‌تواند دستیابی به حدود تشخیص تحلیلی پایین‌تر را امکان‌پذیر کند؛ موضوعی که در تعیین آلاینده‌های آلی موجود در خاک یا رسوبات اهمیت دارد.

در روش‌های سنتی استخراج جامد-مایع مانند Soxhlet، معمولا با زمان‌های طولانی، مصرف بالای حلال و محدودیت در اتوماسیون مواجه هستیم. در بسیاری از موارد، این فرآیندها ساعت‌ها و حتی روزها زمان می ‌برند و همین موضوع باعث افزایش هزینه و کاهش بهره‌وری می‌شود. به همین دلیل، روش‌های مدرن‌تری مانند استخراج با حلال شتاب یافته (ASE) و استخراج به کمک مایکروویو (MAE) توسعه پیدا کرده‌اند. MAE در میان این روش‌ها به دلیل سرعت بالا، کاهش مصرف مواد شیمیایی و امکان اجرا در آزمایشگاه‌های امروزی، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است.

Monowave 450 مجهز به اتوسمپلر ۲۴تایی

• راکتورهای monomode

راکتورهای monomode برای پردازش متوالی نمونه‌ها طراحی شده‌اند و از ویژگی‌هایی مانند ابعاد کوچک و بررسی دقیق دما برای هر نمونه برخوردارند. وایال‌های شیشه‌ای با حجم 30 میلی ‌لیتر، امکان استفاده از حجم نمونه تا 20 میلی ‌لیتر را فراهم می‌کنند. گرمایش سریع و سرمایش سریع در راکتورهای تک‌حالته باعث کوتاه‌تر شدن چرخه واکنش و افزایش ظرفیت پردازش روزانه می‌شود. این روش از نظر ظرفیت، در مقایسه با سوکسله مزیت دارد و می‌تواند با یک سیستم ASE معمولی رقابت کند. با استفاده از یک اتوسمپلر  نیز می‌توان نمونه‌ها را در طول یک روز کاری پردازش کرد یا فرایند را بدون اپراتور در طول شب ادامه داد

مشاهده فرایند استخراج با دوربین

راکتورهای تک‌حالته مدرن به دوربین یکپارچه و نمایشگر روی صفحه مجهز هستند. این دوربین امکان مشاهده فرایند استخراج را در هر زمان فراهم می‌کند و اپراتور می‌تواند بررسی کند که آیا هم ‌زدن به‌درستی انجام می‌شود یا تغییر رنگی در طول فرایند رخ داده است. نمای دوربین را می‌توان بدون تاثیر بر پارامترهای واکنش، به‌صورت اختیاری فعال کرد. همچنین امکان ذخیره تصاویر منفرد یا توالی‌های ویدئویی برای مستندسازی وجود دارد.

مشاهده فرآیند استخراج به‌کمک دوربین (داخلی) دستگاه

نقش سیلیکون کاربید در بهبود کارایی

یکی از گزینه‌های مورد استفاده برای بهبود گرمایش در فرایند استخراج، عناصر گرمایشی ساخته‌شده از سیلیکون کاربید (SiC)  هستند. این عناصر را می‌توان به ظروف واکنش اضافه کرد. از آنجا که در استخراج اغلب از حلال‌های غیرقطبی استفاده می‌شود، SiC می‌تواند به انتقال سریع گرما و توزیع یکنواخت آن در موقعیت‌های مختلف روتور کمک کند. استوانه‌های SiC قابل استفاده مجدد هستند و در شرایط مورد استفاده از نظر شیمیایی خنثی بوده و با آنالیت‌های موردنظر تداخل ایجاد نمی‌کنند. پس از پایان استخراج نیز می‌توان آن‌ها را از ظرف خارج کرد. استفاده از این عناصر می‌تواند موجب افزایش بهره‌وری و تکرارپذیری آزمایش شود.

قطبیت حلال بر کارایی گرمایش مایکروویوی تاثیر دارد. استفاده از استوانه‌های SiC امکان گرم کردن سریع حلال‌ها را فراهم می‌کند و به همین دلیل می‌توان مخلوط‌های حلال استاندارد را با گزینه‌های که کمتر قطبی باشند جایگزین کرد. در نتیجه، نیازی به استفاده از حلال‌های قطبی برای افزایش جذب مایکروویو وجود ندارد، ترکیب حلال‌ها ساده‌تر می‌شود و مصرف حلال نیز کاهش می‌یابد. این شرایط امکان استخراج آنالیت‌های غیر قطبی با استفاده از حلال‌های کاملا غیر قطبی را نیز فراهم می‌کند و آزادی عمل بیشتری برای بهینه‌سازی روش استخراج ایجاد می‌شود.

استخراج با ظرفیت بالا از میکروسمپل‌ها

بلوک‌های سیلیکون کاربید نیز گزینه‌ای برای استخراج با ظرفیت بالا از میکروسمپل ها هستند. این بلوک‌ها گرمایش سریع و یکنواخت وایال‌های شیشه‌ای یک‌بارمصرف را فراهم می‌کنند و چندین بلوک را می‌توان روی یک صفحه روتور نصب کرد. به این ترتیب، تعداد زیادی نمونه به‌صورت موازی پردازش می‌شوند؛ برای مثال، با Multiwave 5001 امکان پردازش 96  نمونه وجود دارد.

این روش برای توسعه روش و کنترل کیفیت در راکتورهای چندحالته، از جمله استخراج افزودنی‌ها از پلاستیک‌ها، قابل استفاده است. علاوه بر استخراج، می‌توان واکنش‌های مشتق‌سازی مانند esterification را نیز در این وایال‌های کوچک انجام داد تا برخی آنالیت‌ها برای کروماتوگرافی گازی قابل‌ دسترسی شوند.

نمونه‌ها و حوزه‌های کاربرد  MAE

استخراج به کمک مایکروویو در حوزه‌های مختلفی از جمله آزمون مواد غذایی، آنالیزهای زیست ‌محیطی، محصولات طبیعی و آزمون مواد مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمونه‌هایی که می‌توان با تابش مایکروویو استخراج کرد نیز گسترده است و شامل خاک، رسوبات و لجن، مواد گیاهی، پلیمرها، پلاستیک‌ها و مواد بسته‌بندی، بافت حیوانی، مواد غذایی و خوراک دام، مواد دارویی، خمیر کاغذ، الیاف و منسوجات می‌شود. در بسیاری از این کاربردها، هدف اصلی جداسازی یا بازیابی ترکیبات آلی از ماتریس نمونه است. با این حال، تعیین میزان چربی در مواد غذایی به یک رویکرد ترکیبی هیدرولیز و استخراج نیاز دارد.

مثال‌های کاربردی

در این قسمت چند نمونه از کاربرد این نوع استخراج را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.

• استخراج PAH از نمونه‌های زیست‌ محیطی

هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه‌ای یا PAHs از آلاینده‌های زیست‌ محیطی هستند و تعیین دقیق آن‌ها در نمونه‌هایی مانند خاک کشاورزی و رسوبات رودخانه اهمیت دارد. بر اساس روشی مبتنی بر EPA3546، حدود 500  میلی‌گرم نمونه در مخلوط هگزان/استون و در دمای 120  درجه سانتی‌گراد طی 30  دقیقه استخراج می‌شود. این فرایند در مقایسه با روش استاندارد سوکسله که به 6 ساعت زمان نیاز دارد، افزایش قابل‌توجهی در سرعت استخراج ایجاد می‌کند.

• استخراج مواد بازدارنده شعله بروم دار از پلیمرها

استفاده از ترکیبات بازدارنده‌های شعله بروم‌دار در سال‌های اخیر به دلیل نگرانی‌های مربوط به سمیت و تجمع زیستی با محدودیت‌هایی مواجه شده‌اند و استخراج آن‌ها از پلیمر معمولا با تولوئن در دمای 125 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. برای دستیابی به نتایج مناسب، تنها 250 میلی‌گرم نمونه کافی است و در برخی موارد، افزودن متانول برای بهبود گرمایش پیشنهاد شده است. با این حال، استفاده از SiC می‌تواند این نیاز را برطرف کند و فرآیند را ساده‌تر سازد.

• استخراج افزودنی‌ها از پلی‌ الفین ‌ها

تعیین و اندازه‌گیری کمی پایدارکننده ‌ها و عوامل هسته‌زا در پلی‌الفین‌ها یکی از وظایف مهم در کنترل کیفیت تولیدکنندگان پلاستیک است. استفاده از پردازش متوالی خودکار در یک راکتور تک‌حالته امکان بهینه‌سازی شرایط واکنش از نظر حلال، دما و زمان را فراهم می‌کند. برای پلی‌الفین‌ها، استخراج با اتیل استات در دمای 130  درجه سانتی‌گراد به مدت 30  دقیقه بهترین نتایج را ارائه کرده است. برای استخراج نمونه‌های مختلف پلیمر می‌توان آنالیز را به دستگاه Multiwave منتقل کرد.

• استخراج PAH از مواد غذایی

در حوزه مواد غذایی نیز استخراج PAHs اهمیت زیادی دارد، زیرا این آلاینده‌ها از نظر ایمنی غذایی و الزامات قانونی بسیار مورد توجه هستند. برای مثال، در یک روش اعتبارسنجی ‌شده، برای benzo[a]pyrene و ترکیبات مرتبط، استخراج انواع مواد غذایی در دمای 120 درجه سانتی‌گراد و تنها طی 10 دقیقه با هم‌زدن شدید انجام شده است. این شرایط، MAE را به گزینه‌ای اقتصادی و سریع در مقایسه با سوکسله و حتی برخی سیستم‌های ASE تبدیل می‌کند.

• تعیین میزان چربی مواد غذایی به روش Weibull-Stoldt

یکی دیگر از کاربردهای مهم این مورد، تعیین چربی در مواد غذایی بر اساس روش Weibull-Stoldt  است. روش استاندارد این آزمون شامل هیدرولیز اسیدی و سپس استخراج در سوکسله  است؛ اما MAE امکان انجام هم‌زمان این دو مرحله را در یک سیستم دوفازی فراهم می‌کند. با استفاده از اسید کلریدریک رقیق به‌عنوان عامل هیدرولیز و پترولیوم اتر به‌عنوان محیط استخراج، نتایج بسیار تکرارپذیری در دمای 120 درجه سانتی‌گراد و طی 45 دقیقه به‌دست آمده است. این روش می‌تواند تا 20 نمونه را در کمتر از یک ساعت پردازش کند و برای مواد غذایی مختلف از جمله میوه‌ها، سبزیجات، لبنیات، شکلات و سوسیس مناسب باشد.

جمع ‌بندی

استخراج به کمک مایکروویو یکی از روش‌های مدرن و بسیار کارآمد در آماده‌ سازی نمونه است که با کاهش زمان استخراج، کاهش مصرف حلال و افزایش بهره‌وری، جایگزین مناسبی برای روش‌های کلاسیک به شمار می‌رود. این روش نه‌تنها در تحقیقات آزمایشگاهی، بلکه در صنایع غذایی، محیط‌زیست، پلیمر و داروسازی نیز جایگاه مهمی دارد. وجود استانداردهای مشخص، امکان استفاده از تجهیزات با  استخراج یک نمونه ، و بهره‌گیری از عوامل گرمازا مانند سیلیکون کاربید، MAE را به روشی انعطاف‌پذیر، قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه تبدیل کرده است.